Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Between 3-12 December 2012, the Oceanographic Vessel Alpha Crucis held oceanographic stations in the Southwestern Atlantic Ocean in support to both SAMOC (South Atlantic Meridional Overturning Circulation) and ACEx (Atlantic Ocean Carbon Experiment) projects. During the research cruise, the vessel performed 19 measurements with the release of weather balloons with radiosondes. From the data collected by the radiosondes, it was possible to verify the variability of the marine atmospheric boundary layer (MABL) over different synoptic conditions occurring in the area and period of study. From meteorological and oceanographic data collected throughout the trajectory of the ship by an automatic weather station and the onboard termosalinograph, it was possible to estimate the latent and sensible heat fluxes between the ocean and the atmosphere from bulk parameterization. In order to better understand the importance of the local forcing mechanisms imposed by the sea surface temperature (SST) and the large-scale forcing by the current synoptic conditions in the study period, 19 measurements were divided into four transects along the complete ship's trajectory, where the data were grouped with respect to the active synoptic weather conditions in the study area. Our results demonstrate that in the absence of large-scale transient systems acting in the study area, the MABL was modulated by the SST field. This was observed in the first transect, were we found a thick and turbulent MABL with its top at around 600 m and more intense heat fluxes (up to 209 W/m² of latent heat and 47 W/m² of sensible heat) mainly over the warm waters associated with the Brazil Current (BC). Over cooler waters of the transect, outside the domain of the BC, the MABL was shallower, around 200 m, with less intense heat fluxes (up to 1.4 W/m² of latent heat and -16.8 W/m² of sensible heat). In the second transect with the formation of an extratropical cyclone in the La Plata river mouth region, we noted the impact of the synoptic atmospheric conditions influencing the evolution of the MABL during the prefrontal condition when a MABL stratification was verified. During the pos frontal situation, the MABL was a well developed one, with a 1200 m height. In the pos frontal environment, latent heat fluxes (average 290 W/m² with a peak of 468 W/m²) and sensible heat fluxes (average of 18 W/m² with a peak of 45 W/m²) indicate a heat flux directed from the ocean to the atmosphere much more intense in his latent component. On the other hand, in the prefrontal region, lower values of the latent heat fluxes (average of 18 W/m² with a minimum of 15.8 W/m²) and sensible heat fluxes (-63.4 W/m²) were found. During the third transect with the incursion of the warm air mass, the MABL became shallower over the cooler waters of the Brazilian Coastal Current. Along of the entire third transect the SST was lower than the air temperature and this transect presented a stable boundary layer. Throughout the fourth and final transect, there was a secondary cyclogenesis off the coast of the Rio Grande do Sul state in southern Brazil, just north of the cyclone that has been formed in the vicinity of the La Plata river mouth. This cyclone has developed rapidly and has moved toward the Southwestern Atlantic Ocean, leaving the study area in the cold sector of the cyclone. With the incursion of the cold air mass, the MABL become thicker and more turbulent with its top around 600 m. The values of latent heat fluxes ranged between 461.2 W/m² over the warm waters associated with the BC and 30.2 W/m² on the cooler waters outside the domain of the BC. This work offers an analysis of movel meteorological and oceanographic observations taken simultaneously in the Southwestern Atlantic Ocean. These observations are fundamental to widen our understanding on the physical processes occurring at the ocean-atmosphere interface and have primary importance for the weather and climate forecast of the south-southwestern region of Brazil. / Entre os dias 3 a 12 de dezembro de 2012, o Navio Oceanográfico Alpha-Crucis realizou estações oceanográficas no Oceano Atlântico Sudoeste em apoio aos projetos SAMOC (South Atlantic Meridional Overturning Circulation) e ACEx (Atlantic Ocean Carbon Experiment). Durante o cruzeiro de pesquisa, o navio realizou 19 medições, com o lançamento de balões meteorológicos com radiossondas. A partir dos dados coletados pelas radiossondas, foi possível verificar a variabilidade da camada limite atmosférica marinha (CLAM) durante distintas condições sinóticas atuantes na área e período de estudo. A partir de dados meteorológicos e oceanográficos coletados ao longo de toda a derrota do navio através da estação meteorológica automática e do termosalinógrafo de bordo, foi possível estimar os fluxos de calor latente e sensível entre o oceano e a atmosfera a partir de parametrizações bulk. Para entender a importância dos mecanismos de forçamento local impostos pela temperatura da superfície do mar (TSM) e de grande escala imposto pelas condições sinóticas vigentes no período de estudo, as 19 medições foram divididas em 4 transectos realizados ao longo da trajetória, onde os dados foram agrupados com respeito às condições atmosféricas sinóticas atuantes. Os resultados do trabalho demonstram que, na ausência de sistemas transientes de grande escala atuantes na região de estudo, a CLAM foi modulada pelo campo de TSM. Isso foi observado no primeiro transecto, onde a CLAM apresentou-se espessa e turbulenta com seu topo em torno de 600 m e com fluxos de calor mais intensos (chegando até 209 W/m² de calor latente e 47 W/m² de calor sensível) principalmente sobre as águas quentes associadas à Corrente do Brasil (CB). Sobre águas mais frias, a CLAM foi mais rasa, em torno de 200 m e com fluxos de calor menos intensos (chegando até 1,4 W/m² de calor latente e -16,8 W/m² de calor sensível). No segundo transecto, com a formação de um ciclone extratropical, nota-se o impacto das condições sinóticas influenciando a evolução da CLAM durante a condição pré-frontal, onde se verificou uma estratificação da CLAM. Na condição pós-frontal, a CLAM apresentou-se bem desenvolvida, com uma altura de 1200 m e os fluxos de calor latente (média de 290 W/m² e com pico de 468 W/m²) e calor sensível (média de 18 W/m² e com pico de 45 W/m²) indicam um fluxo de calor do oceano para a atmosfera muito mais intenso em sua componente latente. Por outro lado, na região pré-frontal, valores mais baixos de fluxos de calor latente (média de 18 W/m² e com um mínimo de -15,8 W/m²) e calor sensível (-63,4 W/m²) foram encontrados. Durante o terceiro transecto com a incursão da massa de ar quente, a CLAM ficou mais rasa sobre as águas mais frias da Corrente Costeira do Brasil. Ao longo de todo o terceiro transecto a TSM esteve menor que a temperatura do ar e esse apresentou uma camada limite estável. Ao longo do último transecto, verificou-se uma ciclogênese secundária na costa do Rio Grande do Sul, imediatamente ao norte do ciclone que havia se formado nas proximidades da desembocadura do Rio da Prata. Esse se desenvolveu rapidamente e se deslocou para o Oceano Atlântico Sudoeste, deixando a região de estudo sob o setor frio do ciclone. Com a incursão da massa de ar frio, a CLAM ficou mais espessa e turbulenta com seu topo em torno de 600 m. Os valores dos fluxos de calor latente variaram entre 461,2 W/m² sobre as águas quentes associadas à da CB e 30,2 W/m² sobre as águas mais frias fora do domínio dessa. Esse trabalho oferece uma análise de observações meteorológicas e oceanográficas inéditas tomadas simultaneamente no Oceano Atlântico Sudoeste. Essas observações são fundamentais para ampliar o entendimento dos processos físicos que ocorrem na interface oceano-atmosfera e tem importância primária para a previsão do tempo e clima na região sul-sudeste do Brasil.

By collocating 10 years (1999-2009) of remotely sensed surface turbulent heat fluxes with satellite altimetry data, we investigate the impact of ocean mesoscale eddies on the latent and sensible heat fluxes in the South Atlantic ocean. Eddies were identified using the method proposed by Chaigneau et al. (2009), which is based on closed contours of sea level anomaly. Most of the identified eddies had a radius of ~70 km and amplitude of ~5 cm. On average, in the South Atlantic, eddies play a minor role on the ocean-atmosphere heat exchange. However, in strongly energetic regions such as the Brazil-Malvinas confluence or Agulhas Current retroflection regions, eddies can account up to 20-30% of the total variance of the surface turbulent heat fluxes with averaged anomalies of ±10-20 W/m2 for both heat flux components. Cyclonic (anticyclonic) eddies, associated with negative (positive) heat fluxes anomalies tend to cool (warm) the overlying atmosphere. A composite analysis of the turbulent heat fluxes anomalies within the eddies reveals a direct relationship between the eddy amplitude and the intensity of the latent and sensible fluxes anomalies, such that large-amplitude eddies have a stronger signature in the turbulent surface heat fluxes. Heat fluxes anomalies are also much stronger near the eddy centers and decay radially to reach minimum values outside the eddies. / Uma combinação de 10 anos (1999-2009) de fluxos turbulentos de calor pela superfície, medidos a partir de satélites, e dados altimétricos de anomalia da altura da superfície do mar, foram o utilizados com objetivo de investigar o impacto de vórtices de meso-escala nos fluxos de calor sensível e latente na bacia do Atlântico Sul. Para a detecção dos vórtices foi aplicado o método proposto por Chaigneau et al. (2009), que baseia-se em contornos fechados de anomalia da altura da superfície do mar. A maior parte dos vórtices identificados possui raio de ~70 km e amplitude de ~5 cm. Em média, no Atlântico Sul, o impacto dos vórtices para as trocas de calor entre oceano e atmosfera é relativamente fraco. Entretanto, em regiões de alta variabilidade energética como na Confluência Brasil- Malvinas e na retroflecção da Corrente das Agulhas, vórtices de meso-escala podem contribuir com anomalias médias de até ±10-20 W/m2 nos fluxos turbulentos. Vórtices ciclônicos (anti-ciclônicos), associados com anomalias negativas (positivas) de fluxos de calor, tendem a esfriar (esquentar) a atmosfera adjacente. Mapas composite foram analisados para milhares de vórtices, mostrando um relação direta entre a magnitude das anomalias dos fluxos e a amplitude dos vórtices, de tal modo que vórtices de maior amplitude contribuem com maiores anomalias de calor latente e sensível. Além disso, os padrões espaciais dos composites médios revelam que as anomalias são significativamente maiores próximo ao centro dos vórtices e decaem radialmente até atingirem valores absolutos mínimos fora dos contornos dos vórtices.

The main purpose of the master´s thesis is the experimental study and the mathematical modelling of the combustion process in which the combustion air is enriched with the high-purity oxygen, i.e. the oxygen content is more than 21 %. This combustion technology is called as the oxygen-enhanced combustion (OEC). Since the experimental work required the manipulation with the pure oxygen, a part of the thesis is focused on risks and necessary safety associated therewith. The detailed description of the combustion chamber as well as of the components necessary for the operation of OEC is included. The main part of the thesis is the computational model of the combustion chamber and the simulation of OEC using CFD methods. The numerical results were then compared with the experimental data acquired during the combustion tests, namely the heat flux distribution along the combustion chamber and the distribution of in-flame temperatures in the horizontal symmetry plane of the chamber.

Land surfaces have changed as a result of human and natural processes, such asdeforestation, urbanization, desertification and natural disasters like wildfires. Land use and landcover change impacts local and regional climates through various bio geophysical processes acrossmany time scales. More realistic representation of land surface parameters within the land surfacemodels are essential to for climate models to accurately simulate the effects of past, current andfuture land surface processes. In this study, we evaluated the sensitivity and accuracy of theWeather Research and Forecasting (WRF) model though the default MODIS land cover data andannually updated land cover data over southeast of United States. Findings of this study indicatedthat the land surface fluxes, and moisture simulations are more sensitive to the surfacecharacteristics over the southeast US. Consequently, we evaluated the WRF temperature andprecipitation simulations with more accurate observations of land surface parameters over thestudy area. We evaluate the model performance for the default and updated land cover simulationsagainst observational datasets. Results of the study showed that updating land cover resulted insubstantial variations in surface heat fluxes and moisture balances. Despite updated land use andland cover data provided more representative land surface characteristics, the WRF simulated 2- m temperature and precipitation did not improved due to use of updated land cover data. Further,we conducted machine learning experiments to post-process the Noah-MP land surface modelsimulations to determine if post processing the model outputs can improve the land surfaceparameters. The results indicate that the Noah-MP simulations using machine learning remarkablyimproved simulation accuracy and gradient boosting, and random forest model had smaller meanerror bias values and larger coefficient of determination over the majority of stations. Moreover,the findings of the current study showed that the accuracy of surface heat flux simulations byNoah-MP are influenced by land cover and vegetation type.

A gestão de recursos hídricos tornou-se cada vez mais complexa devido ao rápido crescimento sócio-econômico e as mudanças ambientais nas bacias hidrográficas nas últimas décadas. Modelos computacionais são importantes ferramentas de suporte na gestão de recursos hídricos e tomada de decisões devido a sua funcionalidade, provendo informações importantes sobre os principais processos físicos, químicos e biológicos, e permitindo melhorar o entendimento desses processos, os quais ocorrem em diferentes escalas espaciais e temporais. Na presente tese, o objetivo foi compreender o funcionamento hidrológico do sistema integrado bacia hidrográfica - lagoa, e os efeitos na hidrodinâmica do lago, utilizando como suporte o acoplamento da modelagem hidrológica - hidrodinâmica, e o uso de técnicas de sensoriamento remoto para o monitoramento de parâmetros de qualidade da água (e.g., clorofilaa, temperatura da superfície d’água e níveis da água). A área de estudo é a bacia hidrográfica da Lagoa Mirim, localizada no sul do Brasil, possuindo uma área total de 58.000 km2 (56% no Uruguai e o restante no Brasil). Foram propostos e testados modelos empíricos para estimativa de clorofila-a emumlago raso subtropical, baseados em imagens do sensor MODIS e técnicas estatísticas. Além disso, foi desenvolvido e avaliado o acoplamento da modelagem hidrológica-hidrodinâmica de grande escala e o sensoriamento remoto. O modelo hidrológico distribuído de grande escala MGBIPH acoplado com o modelo hidrodinâmico IPH-ECO foi utilizado para simular a bacia hidrográfica e os principais componentes hidrodinâmicos da Lagoa Mirim. O modelo mostrou bom desempenho quando comparado com observações de vazões, além de dados provenientes de sensoriamento remoto, através de altimetria espacial. As simulações mostraram importantes aspectos sobre a estrutura de fluxo, campos de velocidade e níveis d’água na lagoa, assim como a influência de grandes rios, forçantes externas como o vento (intensidade e direção) e o impacto do estressor antrópico (retiradas para irrigação) no sistema. As simulações permitiram avaliar aspectos relacionados com as variações espaciais e temporais (diurna, mensal, sazonal e inter-anual) da temperatura da superfície da água, a dinâmica dos fluxos de calor (sensível e latente) e os efeitos de eventos meteorológicos de pequena escala como frentes frias, os quais têm um impacto significativo sobre a temperatura superficial da água e os fluxos de calor na lagoa. Quanto aos modelos empíricos para estimativa de clorofila-a a partir do MODIS, os resultados mostram que um simples e eficiente modelo desenvolvido a partir de análise de regressão múltipla, apresentou ligeiras vantagens sobre os modelos de redes neurais artificiais, modelos multiplicativos não paramétricos e modelos empíricos (e.g., Appel, Kahru, FAI e O14a) usualmente utilizados na estimativa de Chl-a em ambientes aquáticos. Resultados também indicam que é inapropriado generalizar um único modelo desenvolvido a partir do conjunto total de dados, para estimar concentrações de Chl-a na lagoa, o que corrobora a heterogeneidade espacial na distribuição de Chl-a e as diferenças entre regiões (litoral e pelágica). A modelagem hidrológica-hidrodinâmica de grande escala apoiada por informação de sensoriamento remoto, mostrou ser uma abordagem promissora para o entendimento da estrutura e funcionamento de lagoas rasas de grande porte e longo prazo, úteis para a gestão integrada dos recursos hídricos. / The last decade, the water resource management is being complex due to the rapid socioeconomic development and environmental changes in river basins. Computations models are important support tools in water resource management and make decision providing important information and allowing a better comprehension of the physical, chemical and biologic processes, which occur in di erent temporal/spatial scales. In this thesis, the objective was to understand the hydrological functioning of the integrated basin- lake system and its e ects on hydrodynamics, using hydrodynamic - hydrodynamic modeling and water quality monitoring (e.g., chlorophyll-a, water surface temperature and water levels) from remote sensing techniques. The study area is the Lake Mirim basin, located between Brazil and Uruguay (basin total area 58.000 km2). Empirical models were proposed and tested to chlorophyll-a estimation in a shallow subtropical lake, based on MODIS imagery and statistics techniques. In addition, we developed and assessed the coupling of large scale hydrological/hydrodynamic modeling and remote sensing techniques. The large-scale distributed hydrological model MGB-IPH coupled with the hydrodynamic model IPHECO were used to simulate the river basin and the hydrodynamic components of the Lake Mirim. The coupled model showed good performance when compared to in-situ measurements and satellite altimetry data. The simulations showed important aspects relate to flow structure, velocity fields and lake water levels, as well as the influence of large rivers, external forcing as such the wind (intensity and direction), and the impact of anthropogenic stressors (irrigation withdrawals) in the system. The simulations allowed assessing the spatial and temporal variations (diurnal, monthly, seasonal and inter-annual) in the water surface temperature, heat fluxes dynamics (sensible and latent) and the e ects of short time-scale events, as such cold fronts passages over the lake, which cause strong impacts on the water surface temperature and heat fluxes in the lake. Regarding the empirical models developed to chlorophyll-a estimation from MODIS imagery, the results showed that a simple and e cient model developed from multiple regression analysis, performed best in comparison with artificial neural network models, non-parametric multiplicative models, and empirical models (e.g., Appel, Kahru, FAI and O14a) common used in the Chl-a estimation in aquatics environments. Results also indicated that is inappropriate to generalize a single model developed from the total datasets to estimates Chl-a in the lake, which corroborates the spatial heterogeneity (Chl-a distribution) and the di erences among regions (littoral and pelagic). The synergy between large-scale hydrological-hydrodynamic modeling, in situ measurements and remote sensing techniques provided a promising approach to improve the comprehension of the structure and ecosystem functioning of large shallow lakes in long-term time scale, useful to water resources management.

A gestão de recursos hídricos tornou-se cada vez mais complexa devido ao rápido crescimento sócio-econômico e as mudanças ambientais nas bacias hidrográficas nas últimas décadas. Modelos computacionais são importantes ferramentas de suporte na gestão de recursos hídricos e tomada de decisões devido a sua funcionalidade, provendo informações importantes sobre os principais processos físicos, químicos e biológicos, e permitindo melhorar o entendimento desses processos, os quais ocorrem em diferentes escalas espaciais e temporais. Na presente tese, o objetivo foi compreender o funcionamento hidrológico do sistema integrado bacia hidrográfica - lagoa, e os efeitos na hidrodinâmica do lago, utilizando como suporte o acoplamento da modelagem hidrológica - hidrodinâmica, e o uso de técnicas de sensoriamento remoto para o monitoramento de parâmetros de qualidade da água (e.g., clorofilaa, temperatura da superfície d’água e níveis da água). A área de estudo é a bacia hidrográfica da Lagoa Mirim, localizada no sul do Brasil, possuindo uma área total de 58.000 km2 (56% no Uruguai e o restante no Brasil). Foram propostos e testados modelos empíricos para estimativa de clorofila-a emumlago raso subtropical, baseados em imagens do sensor MODIS e técnicas estatísticas. Além disso, foi desenvolvido e avaliado o acoplamento da modelagem hidrológica-hidrodinâmica de grande escala e o sensoriamento remoto. O modelo hidrológico distribuído de grande escala MGBIPH acoplado com o modelo hidrodinâmico IPH-ECO foi utilizado para simular a bacia hidrográfica e os principais componentes hidrodinâmicos da Lagoa Mirim. O modelo mostrou bom desempenho quando comparado com observações de vazões, além de dados provenientes de sensoriamento remoto, através de altimetria espacial. As simulações mostraram importantes aspectos sobre a estrutura de fluxo, campos de velocidade e níveis d’água na lagoa, assim como a influência de grandes rios, forçantes externas como o vento (intensidade e direção) e o impacto do estressor antrópico (retiradas para irrigação) no sistema. As simulações permitiram avaliar aspectos relacionados com as variações espaciais e temporais (diurna, mensal, sazonal e inter-anual) da temperatura da superfície da água, a dinâmica dos fluxos de calor (sensível e latente) e os efeitos de eventos meteorológicos de pequena escala como frentes frias, os quais têm um impacto significativo sobre a temperatura superficial da água e os fluxos de calor na lagoa. Quanto aos modelos empíricos para estimativa de clorofila-a a partir do MODIS, os resultados mostram que um simples e eficiente modelo desenvolvido a partir de análise de regressão múltipla, apresentou ligeiras vantagens sobre os modelos de redes neurais artificiais, modelos multiplicativos não paramétricos e modelos empíricos (e.g., Appel, Kahru, FAI e O14a) usualmente utilizados na estimativa de Chl-a em ambientes aquáticos. Resultados também indicam que é inapropriado generalizar um único modelo desenvolvido a partir do conjunto total de dados, para estimar concentrações de Chl-a na lagoa, o que corrobora a heterogeneidade espacial na distribuição de Chl-a e as diferenças entre regiões (litoral e pelágica). A modelagem hidrológica-hidrodinâmica de grande escala apoiada por informação de sensoriamento remoto, mostrou ser uma abordagem promissora para o entendimento da estrutura e funcionamento de lagoas rasas de grande porte e longo prazo, úteis para a gestão integrada dos recursos hídricos. / The last decade, the water resource management is being complex due to the rapid socioeconomic development and environmental changes in river basins. Computations models are important support tools in water resource management and make decision providing important information and allowing a better comprehension of the physical, chemical and biologic processes, which occur in di erent temporal/spatial scales. In this thesis, the objective was to understand the hydrological functioning of the integrated basin- lake system and its e ects on hydrodynamics, using hydrodynamic - hydrodynamic modeling and water quality monitoring (e.g., chlorophyll-a, water surface temperature and water levels) from remote sensing techniques. The study area is the Lake Mirim basin, located between Brazil and Uruguay (basin total area 58.000 km2). Empirical models were proposed and tested to chlorophyll-a estimation in a shallow subtropical lake, based on MODIS imagery and statistics techniques. In addition, we developed and assessed the coupling of large scale hydrological/hydrodynamic modeling and remote sensing techniques. The large-scale distributed hydrological model MGB-IPH coupled with the hydrodynamic model IPHECO were used to simulate the river basin and the hydrodynamic components of the Lake Mirim. The coupled model showed good performance when compared to in-situ measurements and satellite altimetry data. The simulations showed important aspects relate to flow structure, velocity fields and lake water levels, as well as the influence of large rivers, external forcing as such the wind (intensity and direction), and the impact of anthropogenic stressors (irrigation withdrawals) in the system. The simulations allowed assessing the spatial and temporal variations (diurnal, monthly, seasonal and inter-annual) in the water surface temperature, heat fluxes dynamics (sensible and latent) and the e ects of short time-scale events, as such cold fronts passages over the lake, which cause strong impacts on the water surface temperature and heat fluxes in the lake. Regarding the empirical models developed to chlorophyll-a estimation from MODIS imagery, the results showed that a simple and e cient model developed from multiple regression analysis, performed best in comparison with artificial neural network models, non-parametric multiplicative models, and empirical models (e.g., Appel, Kahru, FAI and O14a) common used in the Chl-a estimation in aquatics environments. Results also indicated that is inappropriate to generalize a single model developed from the total datasets to estimates Chl-a in the lake, which corroborates the spatial heterogeneity (Chl-a distribution) and the di erences among regions (littoral and pelagic). The synergy between large-scale hydrological-hydrodynamic modeling, in situ measurements and remote sensing techniques provided a promising approach to improve the comprehension of the structure and ecosystem functioning of large shallow lakes in long-term time scale, useful to water resources management.

Understanding the interactions between ocean and atmosphere in regions of oceanographic fronts is of vital importance for the improvement of numerical models for weather and climate forecasting. In the South Atlantic Ocean (SAO) the meeting between the warm waters of the Brazil Current (BC) and the cold waters of the Malvinas (Falkland) Current (MC) in the region known as the Brazil-Malvinas Confluence (BMC), results in intense mesoscale oceanic activity and, for this reason, this region is considered one of the most energetic of the Global Ocean. The interactions resulting from the thermal contrast in regions oceanographic fronts of the OAS are investigated in this work through estimates of heat fluxes based on data collected in situ and by satellite. The results of this study show that the response to the thermal contrasts found in the ocean is in the form of heat fluxes and these fluxes are critical in modulating the atmospheric boundary layer (ABL). Estimation based on data collected in situ show that in the warm side (north) of the oceanographic front the fluxes are more intense (latent heat: 62 W/m² and sensible heat: 0.6 W/m²) than in the cold side (south) (latent heat: 5.8 W/m² and sensible heat: -13.8 W/m²). In the South Atlantic Current (SAC) along the 30° S parallel, heat fluxes are directly related to the meandering characteristic of the current. The data collected in situ, in addition to allow heat flux estimates at a better spatial resolution, were used to develop a new method for estimating the heat energy exchanged between the atmosphere and the ocean caused by the presence of mesoscale oceanic structures. This methodology consists in the comparison of a radiosonde profile taken over waters of the structure of interest and another taken over waters which do not belong to this structure. The methodology was used to estimate the heat energy transfer between the atmosphere and the ocean over the top of three structures sampled in the OAS. The estimation of the heat energy transferred by a warm eddy detached from the BC points to an energy in the latent (sensible) form of 1.6 1017 J (-2.8 1016 J) which corresponds to approximately 0.011 % of the total heat energy of the eddy transferred to the atmosphere during the field experiment and 0.78 % transferred during the supposed lifetime of the eddy (3 months). Along the CSA two oceanic structures were studied: (i) a cold meander that receives from the atmosphere energy in the latent (sensible) form of 1.4 106 J/m2 (5.4 105 J/m2), and (ii) warmer waters associated with a detached eddy from the Agulhas Current (AC) that transfer to the atmosphe heat energy of approximately 4 106 J/m2 an 5.7 106 J/m2 in the latent and sensible forms, respectively. The estimation of heat energy transfer on top of mesoscale oceanic structures clearly demonstrate the importance of these structures for the heat exchanges between the ocean and the atmosphere and must be taken into account in future works about this subject in the SAO. / A compreensão das interações entre oceano e atmosfera em regiões de frentes oceanográficas é de vital importância para o melhoramento de modelos numéricos de previsão do tempo e clima. No Oceano Atlântico Sul (OAS) o encontro entre as águas quentes da Corrente do Brasil (CB) com as águas frias da Corrente das Malvinas (CM), na região denominada Confluência Brasil-Malvinas (CBM), resulta em intensa atividade oceânica de mesoescala e, por esse motivo, essa região é considerada uma das mais energéticas do Oceano Global. As interações resultantes do contraste termal ao longo de regiões de frentes oceanográficas no OAS são investigadas neste trabalho através de estimativas de fluxos de calor baseadas em dados de satélite e dados coletados in situ. Os resultados do trabalho demonstram que a resposta aos contrastes termais encontrados no oceano se dá na forma de fluxos de calor e que esses fluxos são fundamentais na modulação da Camada Limite Atmosférica (CLA). As estimativas com base em dados coletados in situ demonstram que no lado quente (norte) da frente oceanográfica os fluxos são mais intensos (calor latente: 62 W/m² e calor sensível: 0,6 W/m²) que nos lado frio (sul) (calor latente: 5,8 W/m² e calor sensível: -13,8 W/m²). Na Corrente Sul Atlântica (CSA), ao longo do paralelo de 30° S, os fluxos de calor estão diretamente relacionados a característica meandrante da corrente. Os dados coletados in situ, além de possibilitarem estimativas de fluxo de calor com uma melhor resolução espacial, foram usados no desenvolvimento de uma nova metodologia para estimativa da energia calorífica trocada entre oceano e atmosfera em virtude da presença de estruturas oceânicas de mesoescala. Essa metodologia consiste na comparação entre um perfil de radiossonda tomado sobre águas da estrutura de interesse e outro tomado sobre águas que não pertencem a essa estrutura. A metodologia desenvolvida foi utilizada para determinar a transferência de energia calorífica entre oceano e atmosfera em três estruturas amostradas no OAS. A estimativa da energia calorífica transferida por um vórtice quente desprendido da CB aponta para uma energia na forma latente (sensível) de 1,6 1017 J (-2,8 1016 J) que corresponde a aproximadamente 0,011 % da energia calorífica total do vórtice transferida durante o experimento de campo e de 0,78 % da energia do vórtice transferidos durante o tempo suposto de vida do vórtice (3 meses). Ao longo da CSA, duas estruturas oceânicas foram estudadas: (i) um meandro frio que recebe da atmosfera uma energia na forma latente (sensível) de 1,4 106 J/m2 (5,4 105 J/m2) e (ii) águas mais quentes associadas a um vórtice desprendido da Corrente das Agulhas (CA) que transferem para a atmosfera uma energia calorífica de aproximadamente 4 106 J/m2 e 5,7 106 J/m2 nas formas latente e sensível, respectivamente. As estimativas da transferência de energia calorífica sobre estruturas oceânicas de mesoescala demonstram claramente a importância destas nas trocas de calor entre o oceano e a atmosfera e devem ser levadas em consideração em trabalhos futuros sobre o tema no OAS.

A gestão de recursos hídricos tornou-se cada vez mais complexa devido ao rápido crescimento sócio-econômico e as mudanças ambientais nas bacias hidrográficas nas últimas décadas. Modelos computacionais são importantes ferramentas de suporte na gestão de recursos hídricos e tomada de decisões devido a sua funcionalidade, provendo informações importantes sobre os principais processos físicos, químicos e biológicos, e permitindo melhorar o entendimento desses processos, os quais ocorrem em diferentes escalas espaciais e temporais. Na presente tese, o objetivo foi compreender o funcionamento hidrológico do sistema integrado bacia hidrográfica - lagoa, e os efeitos na hidrodinâmica do lago, utilizando como suporte o acoplamento da modelagem hidrológica - hidrodinâmica, e o uso de técnicas de sensoriamento remoto para o monitoramento de parâmetros de qualidade da água (e.g., clorofilaa, temperatura da superfície d’água e níveis da água). A área de estudo é a bacia hidrográfica da Lagoa Mirim, localizada no sul do Brasil, possuindo uma área total de 58.000 km2 (56% no Uruguai e o restante no Brasil). Foram propostos e testados modelos empíricos para estimativa de clorofila-a emumlago raso subtropical, baseados em imagens do sensor MODIS e técnicas estatísticas. Além disso, foi desenvolvido e avaliado o acoplamento da modelagem hidrológica-hidrodinâmica de grande escala e o sensoriamento remoto. O modelo hidrológico distribuído de grande escala MGBIPH acoplado com o modelo hidrodinâmico IPH-ECO foi utilizado para simular a bacia hidrográfica e os principais componentes hidrodinâmicos da Lagoa Mirim. O modelo mostrou bom desempenho quando comparado com observações de vazões, além de dados provenientes de sensoriamento remoto, através de altimetria espacial. As simulações mostraram importantes aspectos sobre a estrutura de fluxo, campos de velocidade e níveis d’água na lagoa, assim como a influência de grandes rios, forçantes externas como o vento (intensidade e direção) e o impacto do estressor antrópico (retiradas para irrigação) no sistema. As simulações permitiram avaliar aspectos relacionados com as variações espaciais e temporais (diurna, mensal, sazonal e inter-anual) da temperatura da superfície da água, a dinâmica dos fluxos de calor (sensível e latente) e os efeitos de eventos meteorológicos de pequena escala como frentes frias, os quais têm um impacto significativo sobre a temperatura superficial da água e os fluxos de calor na lagoa. Quanto aos modelos empíricos para estimativa de clorofila-a a partir do MODIS, os resultados mostram que um simples e eficiente modelo desenvolvido a partir de análise de regressão múltipla, apresentou ligeiras vantagens sobre os modelos de redes neurais artificiais, modelos multiplicativos não paramétricos e modelos empíricos (e.g., Appel, Kahru, FAI e O14a) usualmente utilizados na estimativa de Chl-a em ambientes aquáticos. Resultados também indicam que é inapropriado generalizar um único modelo desenvolvido a partir do conjunto total de dados, para estimar concentrações de Chl-a na lagoa, o que corrobora a heterogeneidade espacial na distribuição de Chl-a e as diferenças entre regiões (litoral e pelágica). A modelagem hidrológica-hidrodinâmica de grande escala apoiada por informação de sensoriamento remoto, mostrou ser uma abordagem promissora para o entendimento da estrutura e funcionamento de lagoas rasas de grande porte e longo prazo, úteis para a gestão integrada dos recursos hídricos. / The last decade, the water resource management is being complex due to the rapid socioeconomic development and environmental changes in river basins. Computations models are important support tools in water resource management and make decision providing important information and allowing a better comprehension of the physical, chemical and biologic processes, which occur in di erent temporal/spatial scales. In this thesis, the objective was to understand the hydrological functioning of the integrated basin- lake system and its e ects on hydrodynamics, using hydrodynamic - hydrodynamic modeling and water quality monitoring (e.g., chlorophyll-a, water surface temperature and water levels) from remote sensing techniques. The study area is the Lake Mirim basin, located between Brazil and Uruguay (basin total area 58.000 km2). Empirical models were proposed and tested to chlorophyll-a estimation in a shallow subtropical lake, based on MODIS imagery and statistics techniques. In addition, we developed and assessed the coupling of large scale hydrological/hydrodynamic modeling and remote sensing techniques. The large-scale distributed hydrological model MGB-IPH coupled with the hydrodynamic model IPHECO were used to simulate the river basin and the hydrodynamic components of the Lake Mirim. The coupled model showed good performance when compared to in-situ measurements and satellite altimetry data. The simulations showed important aspects relate to flow structure, velocity fields and lake water levels, as well as the influence of large rivers, external forcing as such the wind (intensity and direction), and the impact of anthropogenic stressors (irrigation withdrawals) in the system. The simulations allowed assessing the spatial and temporal variations (diurnal, monthly, seasonal and inter-annual) in the water surface temperature, heat fluxes dynamics (sensible and latent) and the e ects of short time-scale events, as such cold fronts passages over the lake, which cause strong impacts on the water surface temperature and heat fluxes in the lake. Regarding the empirical models developed to chlorophyll-a estimation from MODIS imagery, the results showed that a simple and e cient model developed from multiple regression analysis, performed best in comparison with artificial neural network models, non-parametric multiplicative models, and empirical models (e.g., Appel, Kahru, FAI and O14a) common used in the Chl-a estimation in aquatics environments. Results also indicated that is inappropriate to generalize a single model developed from the total datasets to estimates Chl-a in the lake, which corroborates the spatial heterogeneity (Chl-a distribution) and the di erences among regions (littoral and pelagic). The synergy between large-scale hydrological-hydrodynamic modeling, in situ measurements and remote sensing techniques provided a promising approach to improve the comprehension of the structure and ecosystem functioning of large shallow lakes in long-term time scale, useful to water resources management.

L'objectif général de la thèse est d'améliorer la modélisation numérique RANS des flux thermiques turbulents notamment en proposant un modèle fonctionnant dans les trois régimes de convection thermique (forcée, mixte et naturelle).Pour ce faire, un état des lieux, non exhaustif, des modèles des flux thermiques utilisant les approches algébriques et à équations de transport, est effectué. Puis, le modèle EB-RSM (Elliptic Blending-Reynolds Stress Model) étant utilisé pour modéliser la turbulence, le principe de la pondération elliptique est appliqué aux modèles des flux thermiques turbulents algébriques EB-GGDH (EB-General Gradient Diffusion Hypothesis), EB-AFM (EB-Algebraic Flux Model) et à équations de transport EB-DFM (EB-Differential Flux Model). Une attention particulière a été apportée aux échelles de temps et de longueur utilisées pour ces modèles. Il en résulte qu'utiliser une échelle de longueur thermique différente de l'échelle de longueur dynamique et une échelle de temps mixte dans le terme de flottabilité de l'équation de la dissipation turbulente est préférable.Pour valider les formulations retenues, nous avons effectué des tests pour des fluides usuels (nombre de Prandtl de l’ordre de 1) dans les trois régimes de convection à l'aide de l'outil de calcul Code_Saturne sur des configurations académiques, semi-académiques et industrielles.Des résultats satisfaisants ont été obtenus en associant l'EB-RSM et le GGDH en convection forcée ou mixte et l'EB-RSM aux modèles EB-DFM et AFM en convection naturelle. / The PhD main objective is to improve the turbulent heat flux RANS modelling especially by proposing a model working in the three thermal convection regime (forced, mixed and natural).In order to achieve this, a non-exhaustive state of art of heat flux model, using algebraic approach and transport equations, is done. Then, as EB-RSM model (Elliptic Blending-Reynolds Stress Model) is used to model turbulence, elliptic blending approach is apply to algebraic turbulent heat flux model EB-GGDH (EB-General Gradient Diffusion Hypothesis), EB-AFM (EB-Algebraic Flux Model) and transport equation model EB-DFM (EB-Differential Flux Model). Special attention was paid to time and length scales used with these models. It follows that using a thermal length scale different from dynamic length scale and a mixed time scale in the buoyant term of turbulent dissipation equation is better.To validate these models, some test were done for common fluids (Prandtl number in the order of 1) in the three convection regimes with the tool Code_Saturne on academic, mid-academic and industrial cases.Good results were obtained combining EB-RSM with GGDH in forced or mixed convection and EB-RSM with EB-DFM or AFM in natural convection.

The productivity of agricultural and forest ecosystems in regions at higher latitudes is to a large extent governed by low temperature and moisture conditions. Environmental conditions are acting both above- and below-ground and regulating carbon fluxes and evapotranspiration. However, the understanding of various feedbacks between vegetation and environmental conditions is still unclear. In this thesis, two studies were conducted to understand the physical and biological processes. In the first study, the aim was to simulate soil temperature and moisture dynamics in the bare soil with seasonal frost conditions in China. In the second study, the aims were to model seasonal courses of carbon and evapotranspiration and to examine the responses of photosynthesis, transpiration and respiration on environmental conditions in a boreal Scots pine ecosystem in Finland. In both studies the CoupModel was applied to simulate the dynamic responses of the systems. Both sites represented investigations from which a high number of measurements were available. To understand to what extent the data could be used to increase the understanding of the systems, the Generalized Likelihood Uncertainty Estimation (GLUE) was applied. The GLUE method was useful to reduce basic uncertainties with respect to parameter ranges, model structures and measurements. The strong interactions between soil temperature and moisture processes have indicated by a few behavioral models obtained when constrained by combined temperature and moisture criteria. Model performance on sensible and latent heat fluxes and net ecosystem exchange (NEE) also indicated the coupled processes within the system. Seasonal and diurnal courses were reproduced successfully with reduced parameter ranges. However, uncertainties on what is the most general regulation for transpiration and NEE are still unclear and need further systematic investigations. / QC 20101206